汽車用鋁合金/高強鋼異種材料電阻點焊過程數(shù)值模擬

蔡 軍，梅秀山，蔡 峰

（1.濟寧職業(yè)技術(shù)學院，山東濟寧272037；2.山東寧大鋼構(gòu)有限公司，山東濟寧272100）

汽車用鋁合金/高強鋼異種材料電阻點焊過程數(shù)值模擬

蔡 軍1，梅秀山1，蔡 峰2

（1.濟寧職業(yè)技術(shù)學院，山東濟寧272037；2.山東寧大鋼構(gòu)有限公司，山東濟寧272100）

基于ANSYS有限元軟件，對H220YD鋼板/6008-T66鋁合金異種材料電阻點焊過程進行模擬，研究預壓和焊接階段的壓力和溫度分布。結(jié)果表明，在預壓階段，隨著到對稱中心距離的增加，鋁合金/電極接觸界面壓力先逐漸減小，在接觸邊緣附近迅速增大，達最大值后又迅速減小，鋁合金/電極界面和鋁合金/高強鋼界面壓力則是先略微升高后逐漸下降；隨著電極壓力的增加，接觸半徑逐漸增大，當電極壓力大于3.5 kN時，接觸半徑和界面壓力趨于穩(wěn)定；在焊接階段，界面溫度隨通電時間增加逐漸升高，熔核尺寸逐漸增加，峰值溫度隨著焊接電流的增加而升高。

異種材料；電阻點焊；數(shù)值模擬

0 前言

1 有限元模型建立

1.1 材料及焊接工藝

試驗材料為H220YD高強鋼板和6008-T66鋁合金板，厚度分別為1 mm和1.5 mm，屈服強度分別為260MPa、275MPa，抗拉強度分別為410MPa、315 MPa，伸長率分別為32％和13％，化學成分如表1所示。

表1 試驗材料化學成分Tab.1 Chem ical composition of testmaterials％

將試驗材料加工成尺寸100mm×20mm的焊接試板，點焊設備采用中頻點焊機，上下電極分別采用不同的電極帽，高強鋼一側(cè)采用圓形平端面電極，端面直徑φ10 mm，鋁合金一側(cè)采用球形端面電極，球面半徑R=35mm，電極材料均為Cr-Zr-Cu。鋁合金板焊前先用SiC砂紙打磨清理表面氧化膜，然后用酒精清洗焊接試板以去除表面油污。參考焊接工藝參數(shù)如下：預壓階段——電極壓力3.5 kN、預壓保持時間400 ms；焊接階段——電極壓力3.5 kN、焊接電流22 kA、焊接時間300ms。

1.2 有限元模型

根據(jù)實際材料尺寸建立鋁合金/高強鋼點焊模型，考慮到模型的對稱性，只取1/2進行分析，所建立的有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。焊點區(qū)域由于溫度梯度和應力應變較大，取較小單元尺寸，最小網(wǎng)格尺寸0.25mm；熱影響區(qū)建立過渡網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸1 mm，網(wǎng)格尺寸逐漸粗化，最大網(wǎng)格尺寸4mm，熱力偶合分析采用單元類型為PLANE67。

圖1 電阻點焊模擬有限元模型Fig.1 FE model of the resistance spotwelding

對有限元模型施加邊界條件。

（1）換熱邊界條件：環(huán)境溫度25℃，鋼板及電極初始溫度25℃，循環(huán)冷卻水溫度25℃，流量3L/min，冷卻水換熱系數(shù)3 800W·m-2·℃-1，材料表面與空氣的換熱系數(shù)如圖2所示，中心對稱面為絕熱面。

基于此，本研究通過實地與網(wǎng)上兩種形式對居民廁紙使用后的處理方式進行調(diào)查，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果進行統(tǒng)計分析，了解人們對廁紙的處理習慣及廁紙?zhí)幹矛F(xiàn)狀.為探究兩種方式對環(huán)境的影響，采用實驗室模擬的方式，測定廁紙置于水中后不同時間產(chǎn)生的化學需氧量(COD)、懸浮物(SS)、氨氮、五天生化需氧量(BOD5)，得到廁紙進入下水道對污水處理廠的污染物貢獻值；另一方面為了分析將廁紙作為固廢處理會對環(huán)境產(chǎn)生怎樣的污染情況，采用客觀的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和科學的研究實驗，最后通過分析結(jié)果與實驗監(jiān)測等得出的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，正確地回答了“如何處理廁紙更符合節(jié)能環(huán)保理念”的問題.

（2）力學邊界條件：固定下電極下端面軸向位移（Uy=0），固定對稱中心面上徑向位移（Ux=0）。

1.3 材料性能參數(shù)

建立電阻點焊數(shù)值模型需要不同溫度的材料性能參數(shù)，如用于溫度場模擬的密度、比熱容、表面換熱系數(shù)、熱導率等熱物理性能參數(shù)，用于應力應變模擬的屈服強度、彈性模量、硬化模量和泊松比等力學性能參數(shù)。室溫條件下試驗材料及電極的性能參數(shù)如下：

（1）銅電極：密度8 700 kg/m3，泊松比0.35，屈服強度230MPa，彈性模量130 GPa，應變硬化模量570MPa。

（2）鋁合金：密度2 900kg/m3，泊松比0.33，屈服強度280MPa，彈性模量71GPa，應變硬化模量350MPa。

（3）高強鋼：密度7 800 kg/m3，泊松比0.288，屈服強度275MPa，彈性模量130 GPa，應變硬化模量4 000 MPa，高溫條件下性能參數(shù)如圖2所示。

圖2 材料性能隨溫度變化Tab.2 Dependence ofmaterial propertiesw ith tem perature

2 焊接過程模擬結(jié)果及分析

2.1 預壓階段模擬結(jié)果

圖3為預壓階段在電極壓力3.5 kN、預壓保持時間400 ms條件下，電極與工件界面及工件與工件接觸界面的壓力分布。由圖3可知，隨著到對稱中心距離的增加，鋁合金/電極界面壓力先緩慢降低后升高，至距離對稱中心約3 mm時壓力達最大值為407 MPa，隨后壓力值迅速減小；鋁合金/電極界面和鋁合金/高強鋼界面壓力先緩慢增加，當距離對稱中心約1.5mm時，壓力出現(xiàn)最大值，分別為381MPa和373MPa，隨后快速降低。電極與鋁合金接觸半徑為3.4 mm，電極與高強鋼接觸半徑為4.7 mm，高強鋼與鋁合金接觸半徑為3.6mm。

圖4為壓力保持時間固定為400ms，施加不同電極壓力對鋁合金/高強鋼接觸界面壓力分布和接觸半徑的影響。由圖4可知，隨著到對稱中心距離的增加，鋁合金/高強鋼接觸界面壓力在四種不同電極壓力條件下的變化規(guī)律較為一致，均是先緩慢增加，然后壓力迅速減小，最大壓力出現(xiàn)在離對稱中心約1 mm處；當電極預壓壓力由1.5 kN增加到4.5 kN的過程中，接觸界面壓壓力和接觸半徑均逐漸增大，但當電極壓力達3.5 kN以上時，界面壓力增幅減小，接觸半徑逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 焊接階段模擬結(jié)果

對參考焊接工藝參數(shù)下焊接階段不同時刻溫度場分布進行模擬，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，當通電時間t=20ms時，隨著電阻熱的產(chǎn)生，鋁合金/高強鋼界面溫度迅速上升，最高溫度954℃，在界面中心處溫度達到鋁合金固相線溫度，有少量鋁合金熔化；在30～50ms時間內(nèi)，隨著通電時間增加，鋁合金/高強鋼界面溫度逐漸升高，鋁合金熔化越來越多；當t=100 ms以上時，工件上峰值溫度穩(wěn)定在約1 390℃，如圖5c、圖5d所示，其原因是雖然繼續(xù)保持通電，但工件也出現(xiàn)了輕微的變形，產(chǎn)生了一定的壓痕，工件與電極接觸面增大，散熱增多，因此溫度并沒有繼續(xù)升高；隨著通電時間繼續(xù)增加，變形量進一步增大，散熱條件進一步改善，工件內(nèi)部溫度略有下降，熔核尺寸則繼續(xù)增加，如圖5e、圖5f、圖5g所示；當t=300 ms時，焊接通電過程結(jié)束，熔核尺寸達最大值為9.7mm，工件壓痕深度0.33mm。

圖3 預壓階段界面壓力分布Fig.3 Interface stress distribution at preloading stage

圖4 電極壓力對鋁合金/高強鋼界面壓力分布和接觸半徑分的影響Fig.4 Influence of electrode pressure on the stress distribution and contact radius at alum inum alloy and high strength steel interface

圖6為不同焊接電流和通電時間條件下鋁合金/高強鋼接觸界面中心處焊接熱循環(huán)變化情況。由圖6可知，當通電時間固定為300ms時，當焊接電流從18 kA增加到25 kA的過程中，接觸面中心處峰值溫度升高，高溫持續(xù)時間延長；當焊接電流固定為22 kA時，隨著通電時間由150 ms增加到400 ms的過程中，接觸面中心處峰值溫度幾乎不變，但高溫持續(xù)時間延長。

2.3 熔核形貌模擬結(jié)果驗證

參考焊接工藝參數(shù)下熔核形貌模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比情況如圖7所示。由圖7可知，模擬的熔核尺寸為9.7mm，實測的熔核尺寸為10.1mm，模擬結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合，表明所建立的數(shù)值模型可用于鋁合金-高強鋼電阻點焊熱力過程研究。

3 結(jié)論

（1）在預壓階段，隨著到對稱中心距離增加，鋁合金/電極接觸界面壓力先逐漸減小，在接觸邊緣附近迅速增大，達最大值后又迅速減小；鋁合金/電極界面和鋁合金/高強鋼界面壓力先緩慢增加后逐漸降低。

（2）在預壓階段，隨著電極壓力的增加，接觸界面壓力值和接觸半徑均增加，當電極壓力大于3.5 kN時，壓力增幅減小，接觸半徑趨于穩(wěn)定。

（3）在焊接階段，界面溫度隨通電時間增加逐漸升高，當通電時間大于100ms以上時，工件上峰值溫度先穩(wěn)定在1 390℃，隨后略有降低，而熔核尺寸逐漸增加。

（4）隨著焊接電流的增加，接觸面中心處峰值溫度升高，高溫持續(xù)時間延長；隨著通電時間增加，峰值溫度幾乎不變，但高溫持續(xù)時間增加。

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圖5 焊接階段不同時刻溫度場分布Fig.5 Temperature field of different time atwelding stage

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Numerical simulation of the resistance spot welding process of alum inum alloy and high-strength steel dissim ilar materials for automobile

CAIJun1，MEIXiushan1，CAIFeng2
（1.Ji'ning Polytechnic，Ji'ning 272037，China；2.Shandong Ningda Steel Co.，Ltd.，Ji'ning 272100，China）

Based on the ANSYS finite element software，the resistance spotwelding process of the H220YD steel sheet and 6008-T66 aluminum alloy dissimilar materials is simulated，and the temperature and stress distribution at squeeze and welding stages are studied.The results show that at squeeze stage，with the increase of the distance to the center line，the pressure at aluminum alloy/ electrode interface first decreases slowly，then increases rapidly near the tip edge，and quickly reduces after the maximum stress is reached；the pressure at aluminum alloy/electrode interface and aluminum alloy/high-strength steel interface first increase slightly and then decrease gradually;the contact radius increases gradually as the electrode pressure increases，when the electrode pressure is larger than 3.5 kN，the interface pressure and the contact radius stabilize.During welding process，interface temperature gradually increaseswith weld time，the nugget size continues to increase，and the peak temperature increases as the welding current increases.

dissimilarmaterial；resistance spotwelding；numerical simulation

圖6 工藝參數(shù)對熔核中心焊接熱循環(huán)的影響Fig.6 Influence of procedure parameters on nugget center thermal cycle

圖7 試驗熔核（左）與模擬熔核（右）形貌對比Fig.7 Com parison ofmeasured（left）and modeling（right）nuggetmorphology

TG453+.9

A

1001-2303（2015）07-0013-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.04

2015-03-13；

2015-04-11

蔡軍（1977—），男，山東濟寧人，講師，學士，主要從事車輛工程、汽車運用方面的教研工作。